超声波辅助纤维素酶水解制备纳米纤维素

卢琳娜, 卢麒麟

(闽江学院 服装与艺术工程学院;福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室, 福建 福州 350108)

纳米纤维素是指至少有一维空间尺寸为纳米级别的纤维素，除具有天然纤维素的基本结构外，其结晶度和反应活性更高，比表面积更大，且兼具纳米颗粒的特性[1]，在精细化工、功能材料等领域具有广阔的应用前景[2-3]。纳米纤维素的制备方法主要有化学法、物理法和生物法。现代生物技术与机械加工技术的有效结合为纳米纤维素的制备提供了新思路[4-5]。机械力化学作用是指采用球磨、超声波等机械力作用诱发化学反应，改变物质的结构或性能进而获得新材料的技术[6-7]，具有显著降低反应活化能、提高晶粒活性和对环境友好等特点[8]。纤维素酶水解法为低能耗的绿色过程，不仅可以提高产品的质量及纯度，还具有可再生、反应条件温和的特点[9]。本研究以人纤浆为原料，利用超声波辅助纤维素酶水解制备了纳米纤维素，通过正交试验优化工艺条件，并对纳米纤维素的性能进行了表征，以期为探索纳米纤维素的绿色高效制备提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

人纤浆(漂白硫酸盐竹浆，α-纤维素质量分数大于94%)，福建省青山纸业股份有限公司；纤维素酶，上海源叶生物科技有限公司；柠檬酸、柠檬酸钠，均为市售分析纯。

1.2 纳米纤维素的制备

1.2.1制备工艺 将4 g粉碎至粒径74 μm以下并干燥的人纤浆料及5%～10%的纤维素酶(以人纤浆料质量计，下同)加入到100 mL pH值为5.0的缓冲液(由柠檬酸与柠檬酸钠按质量比4 ∶1配制)中，然后将混合物置于超声波装置中，40～60 ℃条件下以400 r/min的速度搅拌反应8～12 h，超声波功率600 W、频率为40 kHz。反应完成后将混合液于100 ℃加热20 min使纤维素酶失活，得到悬浮液。将悬浮液高速离心，沉淀物进一步超声波分散30 min，多次重复该步骤直至上层出现胶体状悬浮液，收集该悬浮液即为纳米纤维素溶液(NCC)，干燥后得NCC粉末。

选择酶用量、酶解时间和温度3个因素，以NCC得率为指标进行单因素试验。在单因素试验基础上，采用L9(34)正交表进行正交试验。

1.2.2得率计算 将纳米纤维素悬浮液均匀分散，测定总体积，量取25 mL于称量瓶中，真空冷冻干燥至质量恒定，纳米纤维素的得率按下式计算：

式中：Y—NCC得率，%；m1—干燥后样品与称量瓶的总质量，g；m2—称量瓶的质量，g；m—干燥人纤浆料的质量，g；V—NCC悬浮液的总体积，mL。

1.3 分析与表征

采用SU8010型场发射扫描电镜(日本HITACHI公司)观察人纤浆的表面形貌；采用Hitachi-H7650型场发射透射电镜(日本JEOL公司)观察NCC的表面形貌；采用X′Pert Pro MPD型X射线衍射仪(荷兰飞利浦公司)分析样品的晶体结构，2θ扫描范围10～80°，扫描速率6(°)/min；采用Nicolet 380型傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo electron公司)分析样品的化学结构，波数扫描范围500～4000 cm-1，分辨率4 cm-1；采用STA449F3型热重分析仪(德国耐驰公司)检测样品的热力学性能，升温范围0～600 ℃，速率10 ℃/min；采用SZP- 06型Zeta电位测定仪(瑞典BTG公司)测试样品的表面电位，分析其稳定性。

2 结果与讨论

2.1 制备工艺优化

2.1.1单因素试验 酶用量、酶解时间和酶解温度对NCC得率的影响如图1所示。从图1可以看出，随酶用量的增加，NCC得率呈先上升后下降趋势，7%时达到最大；酶用量高于7%会导致人纤浆水解过度，得率反而下降。酶解时间与得率的关系也呈现出随时间延长得率先增加后降低的趋势，10 h时NCC得率最高，达到62.3%，12 h得率降到43%,这是因为酶解反应时间过长会破坏人纤浆的结晶区，影响NCC得率。得率随酶解温度的提高也呈现出先增加后降低的趋势，50 ℃时达到最大；继续升高温度，得率逐渐下降。这是因为人纤浆分子结构中的糖苷键在一定温度下易断裂，得率提高；温度继续升高人纤浆水解成葡萄糖小分子，使NCC得率下降。

a.酶用量cellulase dosage; b.酶解时间enzymolysis time; c.酶解温度enzymolysis temperature

2.1.2正交试验 在单因素试验基础上，采用L9(34)正交试验进行超声波辅助纤维素酶水解制备NCC的工艺条件优化，正交试验设计及结果见表1。

从表1的R值大小可看出，各因素对NCC得率的影响大小顺序为B>A>C，即酶解温度>酶用量>酶解时间。其最佳工艺条件为A1B2C2,即纤维素酶用量7%、酶解温度50 ℃和酶解时间10 h。在最佳条件下，重复试验3次(NCC得率分别为61.6%、63.1%和62.2%)NCC平均得率达到62.3%。

表1 正交试验设计及结果分析

2.2 分析与表征

2.2.1形貌分析 图2为人纤浆的SEM图像。由图可知，纤维呈卷曲扁平的棒状结构，表面较为粗糙；图3为NCC的TEM图，NCC呈短棒状，晶体颗粒之间交错分布形成网状结构，这使其在复合材料中能够作为增强相提供增强作用，提高复合材料的力学性能；部分NCC晶体之间存在团聚现象，主要是由于纳米粒子间较强的氢键作用力，使其发生自团聚，部分棒状的NCC之间相互结合，形成纳米纤维素簇[10]。

2.2.2XRD分析 从XRD谱图(图4)可观察到NCC与人纤浆衍射峰的位置基本保持一致，4个强衍射峰的2θ分别为14.5°、16.0°、22.5°和34.7°，分别对应于纤维素晶体的(101)、(110)、(200)和(004)晶面，表明制备的NCC的晶型并未发生改变，仍为纤维素Ⅰ型[11]。与人纤浆相比，NCC在22.5°处的衍射峰更加尖锐，峰强度显著增大，非晶部分的弥散峰(18～22°)变小，利用Segal方法[12](峰强度法)计算得到结晶度由54.2%增大到73%。这主要是因为纤维素无定形区的反应活性比结晶区强，在水解反应和超声波空化作用下，纤维素无定形区和无序排列的晶体结构遭到破坏，分子链间的氢键断裂，促进无定形区的水解。因此，生成的NCC的结晶度增加。

图2 人纤浆的扫描电镜图

Fig.2 SEM image of cellulose pulp

图3 纳米纤维素的透射电镜图

Fig.3 TEM image of NCC

2.2.3FT-IR分析 图5所示为人纤浆与NCC的红外光谱图。

图4 人纤浆(a)与NCC(b)的XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of cellulose pulp(a) and NCC(b)

图5 人纤浆(a)和NCC(b)的红外光谱

Fig.5 FT-IR of cellulose pulp(a) and NCC(b)

图6 人纤浆和NCC的热重分析图Fig.6 TG/DTG diagram of cellulose pulp and NCC

由图可知，3347 cm-1附近有一个强吸收峰，说明有羟基存在；2900 cm-1附近是亚甲基的C—H对称伸缩振动吸收峰；纤维素分子中氢键的伸缩振动吸收峰在1635 cm-1附近；1058 cm-1对应于纤维素的C—O—C伸缩振动，在其附近有很多较弱的肩峰，1112和1165 cm-1处分别对应纤维素分子内醚键的C—O伸缩振动和C—C骨架的伸缩振动；在1430 cm-1附近有饱和C—H的弯曲振动峰，895 cm-1是纤维素异头碳(C1)的振动吸收峰。与人纤浆相比，NCC的特征峰并没有发生明显的变化，说明超声波处理引发的机械力化学作用并没有改变NCC的化学结构，NCC仍然保持天然纤维素的基本结构，另一方面也说明NCC表现出的特殊性是源自于它的纳米尺寸效应。

2.2.4热重分析 图6为人纤浆和NCC的热重曲线。由图可知，纤维素的热分解包括纤维素分子链的脱水(25～150 ℃)、解聚(150～240 ℃)及葡萄糖基单元的分解(240～400 ℃)3个过程。人纤浆和NCC初始阶段的质量损失(25～120 ℃)，主要是因为纤维表面吸附的自由水的挥发。人纤浆的起始热分解温度为311 ℃，在311～349 ℃时，样品质量快速损失，339 ℃时热分解速率最大，此后进入缓慢分解阶段，样品在500 ℃时的质量残余率为8.47%；NCC的起始热分解温度为323 ℃，323～361 ℃间的质量损失最大，达到最大热分解速率的温度为349 ℃，样品在500 ℃时的质量残余率为10.78%。对比人纤浆，NCC的TG和DTG曲线均向高温方向移动，说明制备的NCC的热稳定性有所增强。纤维素的热稳定性受晶区排列规整度的影响，结晶区排列越规整，热稳定性越高。本研究采用的制备方法反应条件温和，对纤维素结晶区的损害较小，无定形区被水解之后，有序的结晶区得以保留，同时超声波空化作用下纤维素大分子排列的有序度增强，因而所制备的NCC的结晶区排列更为规整，所以热稳定性增强。

2.2.5分散性分析 Zeta电位测试显示，人纤浆的Zeta电位值为(-7.8±0.4) mV，而NCC的Zeta电位值为(-27.9±0.6) mV，可以看出NCC的Zeta电位绝对值明显升高，意味着颗粒间的静电排斥作用增强，纳米纤维素的分散稳定性显著提高[13]。根据Zeta电位值与颗粒稳定性的关系，纳米纤维素的Zeta电位绝对值超过了25 mV，说明纳米纤维素在水介质中具有良好的分散稳定性，不易产生沉淀或絮凝现象[14]。

3 结 论

3.1以人纤浆原料，利用超声波辅助纤维素酶水解制备纳米纤维素(NCC)，通过单因素和正交试验优化得到最佳制备条件为纤维素酶用量7%、酶解温度50 ℃和酶解时间10 h，此条件下NCC的得率最高，可达62.3%。

3.2对纳米纤维素进行分析与表征，TEM分析表明纳米纤维素呈短棒状，晶体颗粒之间交错分布形成网状结构；XRD分析表明纳米纤维素结晶度从人纤浆的54.2%增至73%，并保持原有的纤维素化学结构不变；FT-IR分析表明纳米纤维素的特征峰对比人纤浆并没有发生明显的变化，仍然保持天然纤维素的基本结构；热重和Zeta电位分析表明相比人纤浆，纳米纤维素的热稳定性和在水介质中的分散稳定性显著提高。